メカナムホイールを用いた自律型移動ロボットのライントレースの研究A study of Line Trace of Autonomous Mobile Robot using the Mecanum Wheel

○佐藤　稔 1 ，松本　大樹 1 ，相良　賢司 1 ，浜松　芳夫 2 ，星野　貴弘 2

Minoru Sato1, Daiki Matsumoto1, Kenji Sagara1, Yoshio Hamamatsu2, Takahiro Hoshino2

Abstract:In this study, we develop the autonomous mobile robot that carried an optical sensor unit. This robot

has a line trace function. This robot is automatic conveyance devices at the factory. In order to develop the

model, there are many necessary functions. Line trace function is the most important for automatic conveyance.

Therefore, we examined the robot to allow the line trace, in this study.

1. はじめに

近年，工場などの産業の現場は様々な作業がロボットに

よって自動化されている．本研究で対象とするのは産業

用ロボットの 1つである無人搬送車（Automated Guided

Vehicle: AGV）である．AGVの利用によって，工場な

どは生産ラインを柔軟に設計することができる．また，

重い荷物の運搬などの人間には難しい作業をすることが

できるなど，効率面で期待されている．しかし，多くの

AGVは前方に障害物を検知した場合，障害物が取り除

かれるまで停止するため作業効率の低下を招く可能性が

ある．この問題に対し障害物回避の機能をもつ AGVが

研究されているが [1]，回避時に長い時間がかかる場合が

あり，改善の必要がある．

　以上より，本研究では障害物を検知した際に，より短

時間で障害物を回避することで時間効率の低下を防ぐロ

ボットの製作を目的とする．その実現のために全方位タ

イヤであるメカナムホイールを使用し，ライントレース

をする方法を検討した．

2. 自律型移動ロボット

Figure 1は本研究で製作したロボットである．ロボッ

トの制御にはマイコンの一種であるArduinoを使用して

いる．次に本研究で使用するロボットについて説明する．

　 　

Figure 1: Developed robot.

1:日大理工・学部・電気 2:日大理工・教員・電気

2.1 メカナムホイール本研究で使用するロボットではメカナムホイールを使用

する．メカナムホイールはタイヤの一種であり，Figure 1

のロボットに取り付けられているように小さなローラー

が進行方向に対して 45度傾いた状態でホイールの表面

を囲むように並んだ構造をしている．この構造によって

タイヤが回転した際に発生する駆動力は斜めに 45度だ

け傾く．本ロボットの場合，四隅に配置した各タイヤで

発生する駆動力の方向を組み合わせることで所望の方向

へ移動する．Figure 2に示したように，前進，後退だけ

でなく，左右や斜め方向へ車体の向きを変えることなく

移動することが可能になっている．

Figure 2: Motion of mecanum wheel.

2.2 モータドライブ回路モータの制御はモータドライブ ICとロジック ICを

用いたモータドライブ回路を使用した．モータドライブ

回路によってモータの回転方向と回転速度を制御する．

また，モータの回転速度は 0から 255までの 256段階で

設定することができる．1つのモータドライブ回路で制

御できるモータは 2つであり，本研究では 4つのメカナ

ムホイールを使用するためにモータを 4つ使用するので

モータドライブ回路を 2つ使用した．

平成 28 年度　日本大学理工学部　学術講演会予稿集

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L-35

2.3 光センサ回路

ライントレース動作において，白い地面と黒い地面を判

定するには光センサ回路を使用する．この回路はFigure 1

のロボットの前面に取り付けた．本ロボットに使用した光

センサ回路の原理図を Figure 3に示す．Figure 3の回路

には，光センサとしてフォトリフレクタを使用した．フォ

トリフレクタは赤外線 LEDとフォトトランジスタが隣

接して配置された素子である．赤外線LEDから発せられ

た赤外線光が対象物に当たり，反射した赤外線光をフォ

トトランジスタが検出し，光量に応じた電圧を生じる．

実際に使用した回路はフォトリフレクタを横に 6つ並べ

た構造である．Figure 3に示した回路では，Arduinoか

ら供給された 5V電源とフォトトランジスタが発する電

圧を比較することで線の色を判定している [2]．Arduino

への入力電圧は，対象物が白色の時に 0.04Vから 0.05V

程度になり，対象物が黒色の時に 0.4Vから 0.6V程度に

なるように設計した．以上を踏まえ，Arduinoへの入力

電圧が 0.3V以上の時に対象物が黒色であると判断する

こととした．

Figure 3: The circuit of the optical sensor.

2.4 ライントレースライントレースは，光センサ回路を使用して，ロボット

が常に黒色の線に沿って走行するように制御する．本研

究で使用するロボットの光センサ回路の各状態に対する

動作を Table 1に示す．Table 1において，No.2，No.3，

No.12，No.13のようにラインの中心から大きくそれた

場合，本ロボットは旋回動作を行う．また No.4，No.11

のように左右どちらかの半分のフォトリフレクタがライ

ンを検知している場合は，左右片方のタイヤのみが前転

し，反対のタイヤは停止させることで方向を大きく修正

する．例えばNo.4の場合は，右側のタイヤが前転し，左

側のタイヤは停止させることで左に大きく方向修正する．

さらにNo.5，No.10のようにラインの中心からわずかに

ずれた場合，左右のタイヤを異なる速さで回転させるこ

とで，わずかに方向修正を行う．例えば No.5の場合は，

左側のタイヤがゆっくりと前転し，右側のタイヤはそれ

をわずかに上回る速さで回転することで左にわずかに方

向修正を行う．

　次に No.6，No.7，No.8，No.9の場合は，ラインから

のずれが小さいと判断して直進する．No.1のようにす

べてのフォトリフレクタが白色を検知した場合，完全に

ラインから外れたと判断して停止する．No.14は想定外

の検出パターンを表しており、フォトリフレクタの誤作

動とみなして停止する．

　以上のように設定したロボットを使用し，実際に走行

した結果，直進時の微調整や急カーブなどに対応し，ラ

イントレースをすることができた．

Table. 1: Line trace motion of the robot.　 No.　 Input of sensor Motion of robot

　 1　 ○○○○○○ Stop

2 ●○○○○○ Rotate left

3 ●●○○○○ Rotate left

4 ●●●○○○ Adjust to more left

5 ●●●●○○ Adjust to left

6 ●●●●●○ Forward

7 ●●●●●● Forward

8 ○●●●●○ Forward

9 ○●●●●● Forward

10 ○○●●●● Adjust to right

11 ○○○●●● Adjust to more right

12 ○○○○●● Rotate right

13 ○○○○○● Rotate right

14 Other Stop

3. 今後の課題現段階では，ライントレースのコース上に障害物があ

る時の動作が想定されていない．また，モータにタイヤ

が直接取り付けられていることで，タイヤの回転速度を

抑えることが困難になっている．そのため，今後はライ

ントレース中に障害物回避をするアルゴリズムの検討と，

ロボットの移動速度の調節を行う．アルゴリズムを検討

する際は，メカナムホイールの特徴を活かしたスムーズ

な回避動作を目指す．移動速度の調節はモータの電圧を

下げることでも可能であるが，電圧が一定以下になると

トルクが不足し，ロボットが停止する．そのため，充分

なトルクを得られるようにするためにギアボックスを使

用することを検討している．

参考文献

[1] 安盛，浜松，星野：「自律型移動ロボットの障害物判定と回避動作の検討」，平成 28 年電気学会全国大会，4-198，pp.335-336，(2016.3)

[2] 米田知晃，荒川正和：「Arduinoではじめるロボット製作」，工学社 (2014)

平成 28 年度　日本大学理工学部　学術講演会予稿集

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